Scattering di Rayleigh e colore del cielo
I principali responsabili del colore azzurro del cielo è la luce del Sole e l’atmosfera della Terra. Com’è noto, la luce visibile di color bianco proveniente dal Sole è composta dalla sovrapposizione di onde elettromagnetiche di diverse lunghezza d’onda che variano dai 380 nm della radiazione violetta, fino ai 720 nm della radiazione rossa, passando per il blu, verde, giallo, arancio.
Quando la luce che proviene dal Sole impatta contro l’atmosfera, viene deviata in modo diverso a seconda dell’elemento che colpisce: più l’elemento è grande e più la luce viene dispersa. Se gli ostacoli che trova sulla strada sono abbastanza grandi, come le polveri e le goccioline d’acqua, la luce si disperde sempre in tutte le direzioni. Le nuvole e la nebbia ci appaiono bianche perché consistono di particelle più grandi delle lunghezze d’onda della radiazione visibile, e diffondono tutti i colori allo stesso modo.
Se invece la luce incontra elementi più piccoli, come le molecole dei gas, ci possiamo trovare in due situazioni: in base alla lunghezza d’onda, può superarle o venire riflessa.
Quando la luce ha una lunghezza grande (cioè quando è di colore arancione, giallo o rosso) passa facilmente oltre queste piccole particelle e viene riflessa solo in piccola parte. La luce blu, però, ha una lunghezza d’onda minore e viene quindi deviata in ogni direzione.
Questa diffusione differenziale dipendente dalla lunghezza d’onda e dalle particelle è chiamata, in inglese, Rayleigh scattering (da Lord John Rayleigh, il fisico inglese che per primo la descrisse nella seconda metà dell’Ottocento). La quantità di luce diffusa è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d’onda.
Quando la luce che proviene dal Sole impatta contro l’atmosfera, viene deviata in modo diverso a seconda dell’elemento che colpisce: più l’elemento è grande e più la luce viene dispersa. Se gli ostacoli che trova sulla strada sono abbastanza grandi, come le polveri e le goccioline d’acqua, la luce si disperde sempre in tutte le direzioni. Le nuvole e la nebbia ci appaiono bianche perché consistono di particelle più grandi delle lunghezze d’onda della radiazione visibile, e diffondono tutti i colori allo stesso modo.
Se invece la luce incontra elementi più piccoli, come le molecole dei gas, ci possiamo trovare in due situazioni: in base alla lunghezza d’onda, può superarle o venire riflessa.
Quando la luce ha una lunghezza grande (cioè quando è di colore arancione, giallo o rosso) passa facilmente oltre queste piccole particelle e viene riflessa solo in piccola parte. La luce blu, però, ha una lunghezza d’onda minore e viene quindi deviata in ogni direzione.
Questa diffusione differenziale dipendente dalla lunghezza d’onda e dalle particelle è chiamata, in inglese, Rayleigh scattering (da Lord John Rayleigh, il fisico inglese che per primo la descrisse nella seconda metà dell’Ottocento). La quantità di luce diffusa è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d’onda.
I – la quantità di luce diffusa,
λ – la lunghezza d’onda;
d – diametro della particella;
Oppure lo scattering di Rayleigh applicato alla singola molecula:
λ – la lunghezza d’onda;
d – diametro della particella;
Oppure lo scattering di Rayleigh applicato alla singola molecula:
α - polarizzabilità che descrive quanto le cariche elettriche della molecola si muoveranno in risposta al campo elettrico oscillante della luce, generando a loro volta una piccola onda elettromagnetica sferica.
Proprio nel Rayleigh scattering risiede la risposta alle domande poste all’inizio. Nell’attraversare l’atmosfera, la maggior parte della radiazione di maggior lunghezza d’onda prosegue la sua traiettoria rettilinea. La luce rossa, arancione e gialla viene influenzata solo in minima parte dalla presenza dell’aria. Al contrario, la luce blu è diffusa in tutte le direzioni. Parte di questa luce giunge ai nostri occhi. Il cielo, pertanto, appare blu.
Il cielo che vediamo azzurro, in realtà dovrebbe essere viola. Dovrebbe essere viola perché è questo il colore, e non l’azzurro (o il blu) il colore dalla lunghezza d’onda più piccola tra quelli dello spettro della luce visibile del sole.
Le ragioni per le quali lo vediamo invece blu sono almeno due, distinte: una che dipende dal sole, l’altra da noi. La distribuzione delle onde di diverse lunghezze e di conseguenza colori nel raggio solare non è omogenea. Nella luce del sole di viola ce n’è poco, almeno rispetto al blu. Il fattore umano dipende invece dalla minore sensibilità al viola dei fotorecettori della retina del nostro occhio, che penalizza ulteriormente la capacità di percepire quel poco viola che viene diffuso dall’atmosfera. Perciò quello che percepiamo è soprattutto la fascia di lunghezza d’onda subito maggiori del viola, quelle del blu. A schiarirlo adeguatamente, fino a portarlo a quell’azzurro talvolta molto tenue al quale siamo solitamente abituati, concorrono tutte quelle particelle di acqua sospese nel cielo.
Ma perché allora il Sole ci appare rosso al tramonto? Quanto più il sole è prossimo all’orizzonte – dunque all’alba e al tramonto - deve attraversare uno strato di atmosfera più spesso rispetto alle altre direzioni. Come risultato abbiamo una forte diffusione della luce blu in tutte le direzioni mentre la luce rossa ci arriva direttamente ai nostri occhi.
Proprio nel Rayleigh scattering risiede la risposta alle domande poste all’inizio. Nell’attraversare l’atmosfera, la maggior parte della radiazione di maggior lunghezza d’onda prosegue la sua traiettoria rettilinea. La luce rossa, arancione e gialla viene influenzata solo in minima parte dalla presenza dell’aria. Al contrario, la luce blu è diffusa in tutte le direzioni. Parte di questa luce giunge ai nostri occhi. Il cielo, pertanto, appare blu.
Il cielo che vediamo azzurro, in realtà dovrebbe essere viola. Dovrebbe essere viola perché è questo il colore, e non l’azzurro (o il blu) il colore dalla lunghezza d’onda più piccola tra quelli dello spettro della luce visibile del sole.
Le ragioni per le quali lo vediamo invece blu sono almeno due, distinte: una che dipende dal sole, l’altra da noi. La distribuzione delle onde di diverse lunghezze e di conseguenza colori nel raggio solare non è omogenea. Nella luce del sole di viola ce n’è poco, almeno rispetto al blu. Il fattore umano dipende invece dalla minore sensibilità al viola dei fotorecettori della retina del nostro occhio, che penalizza ulteriormente la capacità di percepire quel poco viola che viene diffuso dall’atmosfera. Perciò quello che percepiamo è soprattutto la fascia di lunghezza d’onda subito maggiori del viola, quelle del blu. A schiarirlo adeguatamente, fino a portarlo a quell’azzurro talvolta molto tenue al quale siamo solitamente abituati, concorrono tutte quelle particelle di acqua sospese nel cielo.
Ma perché allora il Sole ci appare rosso al tramonto? Quanto più il sole è prossimo all’orizzonte – dunque all’alba e al tramonto - deve attraversare uno strato di atmosfera più spesso rispetto alle altre direzioni. Come risultato abbiamo una forte diffusione della luce blu in tutte le direzioni mentre la luce rossa ci arriva direttamente ai nostri occhi.